第四節(jié)　蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)與多肽均為氨基酸的多聚物，它們都由各種氨基酸殘基通過(guò)肽鍵相連。因此，在小分子蛋白質(zhì)與大分子多肽之間不存在絕對(duì)嚴(yán)格的界線(xiàn)，通常將相對(duì)分子質(zhì)量在10000以上的稱(chēng)為蛋白質(zhì)，10000以下的稱(chēng)為多肽。胰島素的相對(duì)分子質(zhì)量為6000，應(yīng)是多肽，但在溶液中受金屬離子（如Zn^＋）的作用后，能迅速形成二聚體，因此而被認(rèn)為是最小的一種蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)的功能和活性不僅取決于多肽鏈的氨基酸組成、數(shù)目及排列順序，而且還與其空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)長(zhǎng)期研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)果，已確認(rèn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有不同層次，人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)方便通常將其分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)。

一、蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)

分子的多肽鏈上各種氨基酸殘基的排列順序。肽鍵是一級(jí)結(jié)構(gòu)中連接氨基酸殘基的主要化學(xué)鍵，有的蛋白質(zhì)還含有二硫鍵。多肽鏈中氨基酸的排列順序是由DNA分子中的遺傳信息，即DNA分子中核苷酸的排列順序所決定的。不同蛋白質(zhì)分子的多肽鏈數(shù)量及長(zhǎng)度差別很大，有些蛋白質(zhì)分子有一條多肽鏈，有的蛋白質(zhì)分子則由兩條或多條多肽鏈構(gòu)成。不同種屬相同功能的蛋白質(zhì)分子在氨基酸的組成和順序上稍有差異。現(xiàn)已有近千種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)被測(cè)知。

胰島素是世界上第一個(gè)被確定一級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。胰島素是由51個(gè)氨基酸構(gòu)成的，包括A、B兩個(gè)鏈，A鏈有21個(gè)氨基酸殘基，B鏈有30個(gè)氨基酸殘基，兩條多肽鏈之間以?xún)蓚€(gè)二硫鍵連接，A鏈內(nèi)有一個(gè)二硫鍵，其一級(jí)結(jié)構(gòu)如下：

體內(nèi)種類(lèi)繁多的蛋白質(zhì)，其一級(jí)結(jié)構(gòu)各不相同，一級(jí)結(jié)構(gòu)是決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)認(rèn)識(shí)遺傳性疾病的發(fā)病機(jī)制和疾病的治療具有重要的意義。

二、蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并不是線(xiàn)型伸展的，而是按照一定方式折疊、盤(pán)繞形成特有的三維空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)又稱(chēng)分子構(gòu)象、立體結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是以它的一級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的形狀、理化性質(zhì)和生物學(xué)活性。

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)依其復(fù)雜程度不同，分為二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。

1.蛋白質(zhì)分子中的共價(jià)鍵和次級(jí)鍵

蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由共價(jià)鍵形成的，如肽鍵和二硫鍵都屬于共價(jià)鍵。而維持蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象的穩(wěn)定性的是次級(jí)鍵。次級(jí)鍵是非共價(jià)鍵。屬于次級(jí)鍵的有氫鍵、鹽鍵、疏水鍵或稱(chēng)疏水力、范德華力等（圖2—3）。

圖2—3　蛋白質(zhì)分子中的化學(xué)建①鹽鍵；

②氫鍵；③疏水鍵；④范德華力；⑤二硫鍵

（1）氫鍵　在蛋白質(zhì)分子中形成的氫鍵一般有兩種，一種是在主鏈之間形成；另一種可在側(cè)鏈R基團(tuán)之間形成，如酪氨酸側(cè)鏈中的酚羥基和絲氨酸中的醇羥基都可與天冬氨酸和谷氨酸側(cè)鏈中的羧基以及組氨酸中的咪唑基形成氫鍵。

（2）鹽鍵　又稱(chēng)離子鍵。許多氨基酸側(cè)鏈為極性基團(tuán)，在生理pH值條件下能離解成陽(yáng)離子或陰離子，陰、陽(yáng)離子之間借靜電引力形成鹽鍵。鹽鍵具有極性，而且絕大部分分布在蛋白質(zhì)分子表面，其親水性強(qiáng)，可增加蛋白質(zhì)的水溶性。

（3）疏水作用力　是由氨基酸殘基上的非極性基團(tuán)為避開(kāi)水相而聚積在一起的集合力。絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)含有30%～50%的帶非極性基團(tuán)側(cè)鏈的氨基酸殘基，這些非極性或極性較弱的基團(tuán)都具有疏水性，趨向分子內(nèi)部而遠(yuǎn)離分子表面的水環(huán)境互相聚集在一起而將水分子從接觸面排擠出去。這是一種能量效應(yīng)，而不是非極性基團(tuán)問(wèn)固有的吸引力。因此，疏水作用力是維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)最主要的作用力。

（4）范德華力　在蛋白質(zhì)分子表面上的極性基團(tuán)之間、非極性基團(tuán)之間或極性基團(tuán)與非極性基團(tuán)之間的電子云相互作用而發(fā)生極化。它們相互吸引，但又保持一定距離而達(dá)到平衡，此時(shí)的結(jié)合力稱(chēng)為范德華力。

（5）二硫鍵　又稱(chēng)硫硫鍵或二硫橋，是由兩個(gè)半胱氨酸殘基的兩個(gè)巰基之間脫氫形成的。二硫鍵可將不同肽鏈或同一條肽鏈的不同部位連接起來(lái)，對(duì)維持和穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象具有重要作用。二硫鍵是共價(jià)鍵，鍵能大，比較牢固。絕大多數(shù)蛋白質(zhì)分子中都含有二硫鍵，二硫鍵越多，蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性也越高。例如，生物體內(nèi)具有保護(hù)功能的毛發(fā)、鱗甲、角、爪中的主要蛋白質(zhì)是角蛋白，其所含二硫鍵數(shù)量最多，因而抵抗外界理化因素的能力也較大。同時(shí)，二硫鍵也是一種保持蛋白質(zhì)生物活性的重要價(jià)鍵，如胰島素分子中的鏈間二硫鍵斷裂，則其生物活性也喪失。

氫鍵、鹽鍵、疏水作用力和范德華力等分子間作用力比共價(jià)鍵弱得多，稱(chēng)為次級(jí)鍵。雖然次級(jí)鍵鍵能小，穩(wěn)定性差，但次級(jí)鍵數(shù)量眾多，在維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象中起著重要作用。此外，在一些蛋白質(zhì)分子中，二硫鍵和配位鍵也參與維持和穩(wěn)定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。

2.蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子多肽鏈的主鏈骨架在空間盤(pán)曲折疊形成的方式。天然蛋白質(zhì)一般均含有α-螺旋、β-折疊層、β-轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)，這些都是二級(jí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。

（1）α-螺旋　α-螺旋是蛋白質(zhì)分子中多個(gè)肽平面通過(guò)氨基酸的α-碳原子旋轉(zhuǎn)，沿長(zhǎng)軸方向，按一定規(guī)律盤(pán)繞形成的穩(wěn)定的n螺旋構(gòu)象（圖2-4）。α螺旋有右手螺旋和左手螺旋兩種，天然蛋白質(zhì)的n螺旋絕大多數(shù)為右手螺旋。近年來(lái)偶爾也發(fā)現(xiàn)極少數(shù)蛋白質(zhì)中存在左手螺旋。α-螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

圖2-4　螺旋結(jié)構(gòu)示意

球代表主鏈上的碳原子；白球代表氮原子

①這種α-螺旋體每相隔3.6個(gè)氨基酸殘基上升1圈，此時(shí)每個(gè)氨基酸殘基沿軸上升0.15nm，螺旋上升一圈的高度（螺距）為0.54nm。螺旋上升時(shí)，每個(gè)殘基沿軸旋轉(zhuǎn)100°。

②α-螺旋體中氨基酸殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)，相鄰的螺旋之問(wèn)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。氫鍵是由氨基酸殘基的NH與前面相隔三個(gè)氨基酸殘基的C＝O形成的。

α-螺旋體的結(jié)構(gòu)允許所有肽鍵都能參與鏈內(nèi)氫鍵的形成，因此α-螺旋的構(gòu)象是相當(dāng)穩(wěn)定的。氫鍵是維系α-螺旋的主要次級(jí)鍵。

蛋白質(zhì)多肽鏈能否形成-α-螺旋結(jié)構(gòu)以及形成的螺旋體是否穩(wěn)定，與它的氨基酸組成和序列有直接關(guān)系。多肽鏈中若有脯氨酸出現(xiàn)，由于脯氨酸是亞氨基酸，N原子上沒(méi)有H原子，不能形成鏈內(nèi)氫鍵，而阻斷了-α-螺旋，使多肽鏈發(fā)生轉(zhuǎn)折。側(cè)鏈R基團(tuán)的大小、形狀以及荷電狀態(tài)對(duì)-α-螺旋的形成及穩(wěn)定均有影響。如在酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同性相斥，不利于-α-螺旋的形成。在有較大的R基團(tuán)（比如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸）集中的區(qū)域，由于空間位阻也會(huì)妨礙-α-螺旋的形成。

（2）β-折疊層　β-折疊層又稱(chēng)β-片層結(jié)構(gòu)，是多肽主鏈的另一種有規(guī)律的結(jié)構(gòu)單元，是主鏈骨架充分伸展的結(jié)構(gòu)（圖2-5）。這種結(jié)構(gòu)一般由兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的若干肽段共同參與形成，它們平行排列，并在兩條肽鏈或一條肽鏈的兩個(gè)肽段之問(wèn)以氫鍵維系而成。為了在相鄰的主鏈骨架之間能形成最多的氫鍵，避免相鄰側(cè)鏈R基團(tuán)之問(wèn)的空間阻礙，各條主鏈骨架須同時(shí)作一定程度的折疊，從而產(chǎn)生一個(gè)折疊片層，稱(chēng)為β-折疊層。

圖2-5　β-層結(jié)構(gòu)示意

（3）β-轉(zhuǎn)角和不規(guī)則卷曲　大多數(shù)蛋白質(zhì)都呈緊密的球狀分子，這是由于它們的多肽鏈的主鏈常出現(xiàn)180。回折的發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，這種回折的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為口轉(zhuǎn)角。β轉(zhuǎn)角一般由4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成，第一個(gè)氨基酸殘基的羰基氧和第四個(gè)氨基酸殘基的氨基氫之間形成氫鍵，以維持β-轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定。

在有些多肽鏈的某些片段中，由于氨基酸殘基的相互影響，而使肽鍵平面不規(guī)則的排列以致形成無(wú)一定規(guī)律的構(gòu)象，稱(chēng)為不規(guī)則卷曲。這部分結(jié)構(gòu)雖然沒(méi)有規(guī)律性，但同樣表現(xiàn)出重要生物學(xué)功能。

在蛋白質(zhì)分子中，可以同時(shí)存在上述幾種二級(jí)結(jié)構(gòu)或以某種二級(jí)結(jié)構(gòu)為主的結(jié)構(gòu)形式，這取決于各種殘基在形成二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)具有的不同傾向或能力。例如，谷氨酸、甲硫氨酸、丙氨酸殘基最易形成-α-螺旋；纈氨酸、異亮氨酸殘基最有可能形成β折疊層；而脯氨酸、甘氨酸、天冬酰胺和絲氨酸殘基在β-轉(zhuǎn)角的構(gòu)象中最常見(jiàn)。

3.蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

圖2—6　蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)

三級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤(pán)曲折疊形成的三維結(jié)構(gòu)，是多肽鏈在空間的整體排布（圖2—6）。在蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)中，多肽鏈上相互鄰近的二級(jí)結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系形成一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域，稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)域，這種結(jié)構(gòu)域是酶的活性部位或是受體與配體結(jié)合的部位，大多呈裂縫狀、口袋狀或洞穴狀。

三級(jí)結(jié)構(gòu)主要靠多肽鏈側(cè)鏈上各種功能基團(tuán)之間相互作用所形成的次級(jí)鍵來(lái)維系的，其中有氫鍵、離子鍵、疏水鍵和范德華力等，其中起主要作用的是疏水作用力。

4.蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過(guò)非共價(jià)鍵相互作用形成的三維空間結(jié)構(gòu)，其中每條具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈稱(chēng)為亞基。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)涉及亞基的種類(lèi)和數(shù)目以及亞基在整個(gè)分子中的立體排布、亞基問(wèn)相互作用和接觸部位的布局，但不包括亞基內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)。亞基單獨(dú)存在時(shí)一般沒(méi)有生物活性，只有形成四級(jí)結(jié)構(gòu)才具有完整的生物活性。

維系蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵主要是疏水作用力，此外，氫鍵、離子鍵及范德華力也參與四級(jí)結(jié)構(gòu)的形成。

蛋白質(zhì)中亞基可以相同，也可以不同。如血紅蛋白是由4個(gè)亞基組成，其中兩條α鏈、兩條β鏈，α鏈含有141個(gè)氨基酸殘基，β鏈含有146個(gè)氨基酸殘基。每條肽鏈都卷曲成球狀，都有一個(gè)空穴容納1個(gè)血紅素，4個(gè)亞基通過(guò)側(cè)鏈間次級(jí)鍵兩兩交叉緊密相嵌形成一個(gè)具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的球狀血紅蛋白分子（圖2—7）。

圖2—7　血紅蛋白四級(jí)結(jié)構(gòu)示意

三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系

不同蛋白質(zhì)分子中氨基酸的種類(lèi)和數(shù)量不同，以及排列的順序、空間結(jié)構(gòu)不同，這就使得蛋白質(zhì)的種類(lèi)非常繁多并具有多種多樣的功能及許多特殊的性質(zhì)。研究蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象和生物功能的關(guān)系，已成為當(dāng)前分子生物學(xué)的一個(gè)重要方面。但是蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象歸根到底還是決定于其一級(jí)結(jié)構(gòu)和周?chē)h(huán)境的影響，因此研究一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系是十分重要的。

1.蛋白質(zhì)分子一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，各種蛋白質(zhì)因其氨基酸的種類(lèi)、數(shù)量和排列順序的不同，形成的空間結(jié)構(gòu)則不同。空問(wèn)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)生物學(xué)功能表現(xiàn)所必需的，因此蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)也與其功能密切相關(guān)。如神經(jīng)垂體釋放的催產(chǎn)素和抗利尿激素都是九肽，其中只有兩個(gè)氨基酸不同，而其余七個(gè)氨基酸殘基是相同的，但二者生理功能卻有根本的區(qū)別。催產(chǎn)素能刺激平滑肌引起子宮收縮，表現(xiàn)為催產(chǎn)功能；抗利尿素能促進(jìn)血管收縮，升高血壓及促進(jìn)腎小管對(duì)水分的吸收，表現(xiàn)為抗利尿作用。

不同結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)具有不同的功能。任何不同功能的蛋白質(zhì)，彼此之間的結(jié)構(gòu)是完全不日或不完全相同的，即各種蛋白質(zhì)的特定功能是由其特殊的結(jié)構(gòu)所決定的。在生理功能方目，胃蛋白酶之所以不同于胰蛋白酶，血紅蛋白不同于肌紅蛋白，胰島素不同于生長(zhǎng)激素等，都是以其特定結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。

蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致功能的改變。如血紅蛋白的口鏈上含有146個(gè)氨基酸，由于遺傳物質(zhì)（DNA）的突變，使其β鏈第6位谷氨酸被纈氨酸所代替，血紅蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)因這一細(xì)微的變異，引起一種遺傳性疾病——鐮刀形紅細(xì)胞貧血癥。在美國(guó)黑人中這種發(fā)病率高達(dá)10%，這種由于蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中個(gè)別氨基酸的改變，而導(dǎo)致的機(jī)體疾病，稱(chēng)為分子病。

研究蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，主要研究多肽鏈中不同部位的殘基與生物功能的關(guān)系。許多研究結(jié)果表明，一級(jí)結(jié)構(gòu)中，有的部位即不能缺失，也不能更換，否則就會(huì)喪失活性；有的部位則可以改變，切除或更換別的殘基均不能影響生物的活性；還有的部位必須切除之后，蛋白質(zhì)分子才顯活性。不同部位的殘基對(duì)功能的影響，實(shí)質(zhì)是影響了蛋白質(zhì)分子特定的空間構(gòu)象的形成。

2.蛋白質(zhì)分子構(gòu)象與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能是統(tǒng)一的、對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只有蛋白質(zhì)具備了特定的空間結(jié)構(gòu)，它才具有相應(yīng)的生物學(xué)功能，空間結(jié)構(gòu)的變化必然會(huì)導(dǎo)致功能的改變。

蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能與它的空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的更典型例子是蛋白質(zhì)或酶分子的變構(gòu)效應(yīng)或變構(gòu)調(diào)節(jié)。如血紅蛋白是兩個(gè)α亞基和兩個(gè)β亞基組合而成的四聚體，具有穩(wěn)定的高級(jí)結(jié)構(gòu)，每個(gè)亞基含有一個(gè)亞鐵血紅素輔基，輔基中的鐵Fe^2＋能與O₂結(jié)合，但和氧的親和力很弱，血紅蛋白質(zhì)分子各個(gè)亞基功能相同，都是運(yùn)輸O₂和CO₂。血紅蛋白分子的四個(gè)亞基通過(guò)鹽鍵彼此締合，當(dāng)一個(gè)α亞基與O₂結(jié)合時(shí)發(fā)生構(gòu)象的變化，鹽鍵斷裂，使整個(gè)血紅蛋白分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由原來(lái)的緊密型變成松弛型，從而加速了其他3個(gè)亞基與O₂的結(jié)合，對(duì)氧的親和力增強(qiáng)。這一特性對(duì)紅細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白的運(yùn)氧功能有重要調(diào)節(jié)作用。

蛋白質(zhì)分子因與某種小分子物質(zhì)相互作用發(fā)生空闖結(jié)構(gòu)變化，從而改變了該種蛋白質(zhì)與其他分子進(jìn)行反應(yīng)的能力，這種現(xiàn)象稱(chēng)變構(gòu)作用或變構(gòu)效應(yīng)。這種在生物體內(nèi)廣泛存在的變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制充分說(shuō)明了蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)與功能之間的密切關(guān)系。